一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制

1、 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 目 錄0.前言11. 不完全微分PID算法設(shè)計(jì)22.算法仿真研究33.一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制程序44.實(shí)驗(yàn)結(jié)果75.結(jié)論及總結(jié)8參考文獻(xiàn)8課設(shè)體會(huì)10一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院摘要：提出在PID算法中加入一階慣性環(huán)節(jié)，通過不完全微分PID算法來(lái)改善干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，用MATLAB仿真分析說(shuō)明該算法在改善過程的動(dòng)態(tài)性能方面具有良好的控制精度。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)控制技術(shù)的使用越來(lái)越多，而隨著工業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論也在發(fā)展和完善，出現(xiàn)了多種控制方法如最基礎(chǔ)的PID控制以及微分先行控制、中

2、間微分控制、史密斯補(bǔ)償控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)中遇到了一系列的問題：如在本文中所研究的一階純滯后系統(tǒng)的控制就是控制理論中一個(gè)較為重要的問題。由控制理論可知，無(wú)滯后控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是沒有延遲）比有滯后系統(tǒng)更加穩(wěn)定，更加容易控制。因此如何解決生產(chǎn)中滯后的問題在當(dāng)前工業(yè)大生產(chǎn)中尤其重要。論文在常規(guī)PID控制也就是比例-積分-微分控制的基礎(chǔ)上提出了三種控制方法即：微分先行控制、中間微分反饋控制、史密斯補(bǔ)償控制。并對(duì)這三種方案進(jìn)行Simulink仿真，檢測(cè)其抗干擾性能。為便于分析，論文將所得仿真結(jié)果以圖形的方式給予顯示出來(lái)，形象生動(dòng)便于理解。關(guān)鍵詞：一階純滯后 ;

3、不完全微分;仿真;PID 0.前言在多數(shù)工業(yè)過程當(dāng)中,控制對(duì)象普遍存在著純時(shí)間滯后現(xiàn)象,如化工,熱工過程等.這種滯后時(shí)間的存在,會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,滯后嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性,在工業(yè)生產(chǎn)上產(chǎn)生事故.因此長(zhǎng)期以來(lái),純滯后系統(tǒng)就一直是工業(yè)過程中的難控制對(duì)象,人們也對(duì)它進(jìn)行了大量的研究.在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和理論研究中出現(xiàn)了多種控制方法,如PID控制、PID改進(jìn)控制、Smith 預(yù)估算法控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等.而對(duì)于最基礎(chǔ)的一階純滯后系統(tǒng)常用的控制方法主要是PID控制、不完全微分PID控制.1. 不完全微分PID算法設(shè)計(jì)為了克服上述缺點(diǎn)， 在PID算法中加一

4、個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器）Gf（S）=1/1+Tf（S），將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上，構(gòu)成如圖1的不完全微分PID控制： 式中，T為采樣時(shí)間，Tf為濾波器系數(shù)，T1和TD分別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，令 =Tf/(Tf+T),則T/（T+Tf）=1-；顯然有1<，1<1成立，不完全微分項(xiàng)為：若e(k)為單位階躍（即e（k）=1，k=0,1,2，）由此得出不完全微分項(xiàng)為： 可見，引入不完全微分后，微分輸出按kUD（0）的規(guī)律)（(1)逐漸衰減，所以不完全微分能有效地克服前述微分項(xiàng)的不足。2.算法仿真研究 設(shè)被控對(duì)象為含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： G(S)=e-80

5、S/50S+1在對(duì)象的輸出端加幅值為0.01的隨機(jī)干擾信號(hào)，采樣時(shí)間為20s 低通濾波器為Gf(S)=1/(180S+1) 控制器取KP=0.30,T1=55,TD=140 控制算法程序框圖如圖2； 圖2 控制算法程序框圖3.一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制程序PID的MATLAB仿真程序：%PID Controler 不完全微分clear all;close all;ts=20;sys=tf(1,60,1,'inputdelay',80);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');num,den=tfdata(dsys,'v');u_1

6、=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;ud_1=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;error_1=0;ei=0;for k=1:1:100time(k)=k*ts;rin(k)=1.0;%Linear modelyout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;D(k)=0.01*rands(1);yout(k)=yout(k)+D(k);error(k)=rin(k)-yout(k);%PID Controller with partly differentialei=ei+error(k)*ts;kc=0.30;ki=0.0055;TD=140;kd=kc

7、*TD/ts;Tf=180;Q=tf(1,Tf,1); %Low Freq Signal FilterM=2; %M=1不完全微分，%M=2普通Pid控制！if M=1 %Using PID with Partial differentialalfa=Tf/(ts+Tf);ud(k)=kd*(1-alfa)*(error(k)-error_1)+alfa*ud_1;u(k)=kc*error(k)+ud(k)+ki*ei; ud_1=ud(k);elseif M=2 %Using Simple PIDu(k)=kc*error(k)+kd*(error(k)-error_1)+ki*ei;en

8、d%Restricting the output of controllerif u(k)>=10 u(k)=10;endif u(k)<=-10 u(k)=-10;endu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);error_1=error(k);endfigure(1);plot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9、系統(tǒng)的設(shè)定輸入值r（K）取單位階躍函數(shù)，跟蹤輸出控制曲線如圖3，比較采用普通PID算法的輸出控制曲線圖4?？梢钥闯觯M管不完全微分PID算法要復(fù)雜一些，但能有效地改善干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的控制精度。 圖3 普通PID算法輸出控制曲線 圖4 不完全微分PID算法輸出控制曲線5.結(jié)論及總結(jié)由仿真結(jié)果可以看出，采用不完全微分型PID算法，引入不完全微分后能有效克服普通PID的不足，盡管不完全微分算法比普通PID控制算法要復(fù)雜的多，但由于其良好的控制特性，近年來(lái)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。研究本課題的課題背景和課題綜述即課題在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用有一個(gè)初步的了解，以及自動(dòng)控制的背景知識(shí)，

10、為后面純滯后問題的提出和研究做好鋪墊。 參考文獻(xiàn)1 MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用 作者： 張德豐 楊文茵 出版社：清華大學(xué)出版社 出版年份：2012 年2 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第二版 作者：于海生 丁軍航 潘松峰 吳賀榮 出版社：清華大學(xué)出版社 出版年份：1999年 3金以慧. 過程控制M.清華大學(xué)出版社,1993年:196-202 4潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.電子工業(yè)出版社,2002年:281-282 課設(shè)體會(huì)通過本次課設(shè)，我學(xué)會(huì)了matlab軟件的運(yùn)用，對(duì)直線插補(bǔ)與逐點(diǎn)比較法平有了一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，遇到問題是，在解決問題的過程中使我對(duì)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，不再像知識(shí)把書本上的習(xí)題學(xué)來(lái)

11、考試。課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了；了解了方法；以及如何提高的性能等等，掌握了的方法和技術(shù)，通過查詢資料，也了解了原理。我認(rèn)為，在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國(guó)提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟，會(huì)面對(duì)需要面對(duì)的事情?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)